大型起重机配重承载平台的结构设计 郑伟 周在磊 曾礼 周奇才 １南京香港长江有限公司 南京２１００４２ ２同济大学机械与能源工程学院上海２０１８０４ 摘要：为了解决超大吨位配重的承载问题，提出了一种新型的大型起重机配重承载平台的结构方案，对 其４个支承点的布置进行分析，介绍了该承载梁的调平方案及原理。结合该配重承载平台在超大吨位起重机上 的实际应用，进行了方案介绍和结构有限元计算，证明该方案在实际工程应用中切实可行。 关键词：起重机；配重承载平台；调平 中图分类号：ＴＨ２１３．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—０７８５（２ｏ１３）０２—００３３—０４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｒｅｓｏｌｖｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｒｅｇａｒｄｉｎｇ ｓｕｐｅｒ—ｔｏｎｎａｇｅ ｃｏｕｎｔｅｒｗｅｉｇｈｔ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｃｏｕｎｔｅｒｗｅｉｇｈｔ ｂｅａｒｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ｎｅｗ ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ ｃｒａｎｅ，ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｆｏｕｒ ｂｅａｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ，ａｎｄ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｓｕｃｈ ｂｅａｒｉｎｇ ｂｅａｍ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｃｈ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｎ ＳＵ－ ｐｅｒ．ｔｏｎｎａｇｅ ｃｒａｎｅｓ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ａｎｄ ｓｔｕｒｃｔｕｒａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｒｅ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｅｓ ｔｏ ｂｅ ｐｒａｃｔｉｃａｂｌｅ ｉｎ ａｃｔｕａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｒａｎｅ；ｃｏｕｎｔｅｒｗｅｉｇｈｔ ｂｅａｒｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ；ｌｅｖｅｌｉｎｇ ０ 引言 这样极大地降低了对转台和底盘的压力，对提高 起重机的起重能力大有帮助。 近年来，伴随着工程建设、吊装施工的不断 由于起重机配重的质量较大，对稳定性的要 需求，世界各大起重机厂商积极研发超大吨位的 求也较高，配重承载平台的设计就极为关键。本 起重机，如国外的特雷克斯、玛姆特、ＡＬＥ，以及 文提出一种大型起重机配重的承载平台，除了承 国内的三一、中联重科、徐工等，相继推出了 受超大吨位的载荷外，还可以根据实际情况进行 １ ６００ ｔ及以上级别的超大吨位臂架式起重机，在 自动调平，提高起重机安全性。根据作业需要， 石化、能源、交通基础设施等领域发挥了重要作 还可沿着预先铺设的轨道，随起重机同步移动进 用¨ ］。这类起重机的共同点是采用了高强度臂架 行作业。 作为承载结构，并通过配重超大吨位的配重作为 平衡重来保证整机稳定。 １ 结构方案 以履带起重机为代表的臂架式起重机，通常 大型配重承载平台结构方案见图１。 是将配重放置在转台后部，臂架铰接于转台前部， 通过回转支承将质量全部传递到底盘，来保证起 重机的正常作业。但是，随着起重机起重能力的 提高，配重质量也在不断增加，如利勃海尔 ＬＲ１３０００型２ ６９７ ｔ履带起重机在进行静载试验时， 一—１ ｝ 卜一一ｎ ［７－－—１ ｝ ｒ一一ｎ 总配重达到了１ ９００ ｔ。超大吨位的配重给起重机 ｌ ｌ ｛ ｌ 的转台、回转支承和底盘等重要部件提出了更高 ｌｌ ： ｆ ｌ １７－－—／ｃ ｆ 一ｎ ｆｉ－－— ｝ 卜一ｎ 的要求。因此，一些超大吨位的起重机开始将配 ｕ一一— 一 ｕ～！ ： … 重与起重机整体分离，设置独立的配重承载平台， １．配重承载梁２．销轴 如中联重科制造的起重量达到３ ２００ ｔ的 ３．调平液压缸４．滑靴 ＺＣＣ３２００ＮＰ履带起重机，就是设立专门的配重车， 图１ 大型配重承载平台结构方案 《起重运输机械》 ２０１３（２） 一３３— 该方案由承载梁、销轴、调平液压缸和滑靴 等部分组成，配重放置在承载梁上，承载梁通过 销轴与置于滑靴内部的液压缸连接，滑靴直接压 在地面或预先铺设的轨道上。根据起重机工作的 实际需要，该方案可与在现代施工中比较成熟的 顶推滑移技术相配合 Ｊ，沿轨道运动，完成起重 作、ｌ 。 詈， ＝一 Ｇ・ ２＋詈・ 一导・ 。 第三部分：Ｌ－ｘｏ≤ ≤ 时，Ｆ ，＝Ｇ一詈・ ， ，：一 为了确定合理的 。，取跨中处的弯矩为控制 量．根据以Ｅ分析．跨中的弯矩为 ２ 结构设计 ： ＝对于超大吨位的起重机而言，其配重动辄上 一＝詈・ 一詈・ 。 千吨，即使采用密度较大的标准配重块，所占的 空间也相当可观，这就使得配重承载结构的空间 尺寸相应变大。对于这种大型的空间结构，通常 采用４支点支承的结构形式，制造方便，抗倾覆 稳定性好 ｊ。但是，由于配重承载梁的尺寸及承 受载荷较大，４个支承点的布置及结构设计非常 关键。 ２．１支承点的布置方案 在确定４个支承点的布置方案时，不考虑配 重载荷的偏心及水平载荷。由于该方案中承载梁 为对称的双梁结构，在优化支承点的布置方案时， 可将其简化为单梁结构来进行理论分析，如图２ 所示。对于配重载荷的作用方式，可以有很多种， 本文以均布载荷为例进行分析，为其他的载荷作 用方式提供参考。 图２支承点计算简图 承载梁的长度为 ，配重的质量为Ｇ，均布作 用于承载梁，则集度为ｇ＝ＧＩＬ。设支承点位于距 承载梁两端距离为 。处，将承载梁分为３部分。 根据受力，支反力Ｆ。：Ｆ２： Ｇ。 承载梁上各部分的剪力和弯矩为 第一部分：０≤ ≤ 时，Ｆ 。＝詈・ ，Ｍ ＝ Ｇ 一一 ，Ｊ ２ 第二部分： 。≤ ≤ －－Ｘ０时，Ｆｓ２＝ Ｇ・ 一 一３４一 要使跨中处的弯矩最小，即ｌＭ： ｌ＝Ｏ 令Ｉ Ｇ 一导・ 。１＝。，得 。＝ Ｌ 这时，承载梁的剪力及弯矩图如图３所示。 图３承载梁剪力与弯矩图 当支承点距承载梁两端的距离为Ｌ／４时，承 载梁的受力较为合理，因此，支承点的布置见图 ４。其纵向尺寸ｄ可依据轨道的宽度选取，也可取 结构纵向尺寸的一半。 ｂ、 ｌ ＾ 支承点４ ｌ＿承赢厂＿ｌ ０ Ｉ Ｉ Ｉ 一 １ ｔ ｌ 一 Ｔ ， ， ｌ 支承点３ 夏承赢厂ｒ ＿ Ｌ『４ － Ｌ ：一一 ～Ｉ：Ｉ 图４支承点布置 ２．２配重调平方案 地基或轨道基础在配重载荷的作用下，有可 能发生变形，同时考虑到承载梁的制造和安装精 度等因素，支承结构的４个支承点不能保持在同 一平面上，使得配重发生倾斜甚至倾覆，将严重 影响起重机的正常作业和安全性。因此，需设专 《起重运输机械》 ２０１３（２） 门的调平系统。 该方案采用液压缸调平的方式，在４个支承 点的下方分别装有１个液压缸。在４个液压缸中， １个作为基准液压缸不动作，其余３个作为调整 缸，通过控制这３个液压缸活塞杆的伸缩进行调 平，保证配重的安全，其调平原理如图５所示。 图５调平原理 配重调平系统以ＰＬＣ控制器作为控制核心， 主要由电源模块、ＣＰＵ和输入输出等模块组成。 在承载平台上安装双轴倾角传感器，倾角传感器 实时检测平台的倾角值，输入模块采集传感器的 角度信号，发送至ＰＬＣ控制器中，ＣＰＵ运算得到 各支承点的高度位置，并计算出各个液压缸相对 于基准缸的偏差量，偏差量通过ＰＩＤ运算后，通 过输出模块输出ＰＷＭ信号控制比例换向阀，调节 回路流量大小，实现对支承液压缸的升降，完成 调平过程。 ３ 实际应用 某超大吨位起重机如图６所示。考虑到超大 吨位起重机的转场灵活性和运输成本，该起重机 采用模块化的设计理念，即所有模块单元拆分之 后可装入标准集装箱中，保证拆装运输方便快捷 的同时，将集装箱装入配重块或其他重物等，安 装在承载横梁上作为配重，保证起重机安全作业。 该起重机最大起重量达到２ ５００ ｔ，最大配重 为２ ０５０ ｔ，采用配重块与集装箱配重相结合的方 式，３６个标准配重块安放在８个特制的集装箱中 作为基础配重，其他的集装箱装满沙砾作为辅助 配重，根据不同的起重量和工况配置相应质量的 配重。该起重机采用２个配重承载结构，则单个 承载结构所承受的最大配重为１ ０２５ ｔ，其结构的 三维模型如图７所示。 配重承载梁为箱形，支承点设置在距离承载 《起重运输机械》 ２０１３（２） １．轨道基础２．吊具３．变幅系统 ４．臂架结构５．配重及承载结构 图６某超大吨位起重机示意图 图７配重承载结构 梁端部１／４处。结构主体采用Ｑ３４５，按照承载１ ０２５ ｔ计算，载荷均布在承载梁上表面。 参照文献［８］中的规定，对配重承载梁进行 结构强度、刚度和稳定性计算，均满足规定和要 求。为了对配重承载结构进行更准确的计算和校 验，本文采用Ａｎｓｙｓ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ对其进行有限元分 析。需要指出的是，建立模型时未考虑承载梁上 起加强作用的筋板，以及结构中的圆角、倒角等 细节结构。 在Ａｎｓｙｓ中，结构各部分材料属性定义为 Ｑ３４５，参数如下：密度ｐ＝７ ８５０ ｋｓ／ｍ ，弹性模量 Ｅ＝２．０×１０“Ｐａ，泊松比／．ｔ＝０．２８，屈服极限 ＝ ３．４５×１０ Ｐａ，抗拉极限 ｂ＝４．７０×１０ Ｐａ。 采用网格划分方法，设置单元格尺寸大小为 ６０ ｍｍ，得到的有限元模型如图８所示。构件之间 的接触设置为Ｂｏｎｄｅｄ和Ｎｏ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ，算法为罚 函数法。 将滑靴底部固定约束，承载梁上表面加载 １ ０２５ ｔ进行计算，得到该结构的最大应力为 １６３．４３ ＭＰａ，出现在平衡梁铰支座位置；铅垂方 向最大应变为１．２０３ ８ ｍｍ，出现在承载梁跨中及 一３５—